直接驱动电机[兼容模式]

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1、直接驱动系统n直接驱动系统的产生和发展n直接驱动的定义n直接驱动系统的应用n机器人驱动系统系统；n精密分度装置、精密磨床、超精密加工机床 的进给驱动、半导体制造装置、精密转台、 自动焊接机、孔加工机、医疗仪器、测量器 等领域中直接驱动的特点n高速、高精度，随着时间的推移，不存在老化现象；n结构简单，可使机械部分免维护；n摩擦小，控制性能好，响应迅速，运行噪声小；n没有磨损部件，不存在污染；nDD电动机和传统的电动机加上减速机构相比，外形尺 寸和重量较大；n容易受可动部分惯量的影响；n不能忽略力学干涉，需要作为多自由度系统来处理；n需要高精度位置检测器n由于是高速运行，更加需要考虑超速等安全问题

2、直接驱动系统的构成n低转速、高转矩电动机；n电动机一体化的高精度角度传感器；n快速响应的电动机功率放大器；n高分辨率、高精度角度及速度测量环节；n速度、位置伺服控制器；n接口与保护环节直接驱动电动机应具备的特性n输出转矩n转矩波动n效率n线性特性n转矩/重量比n发热各种直接驱动电动机的原理及特性比较转矩产生 机理名称特征电磁力型直流力矩电动机高输出转矩，高线性度，低转矩波动，高效率永磁同步电动机 （无刷直流电动机）峰值转矩可达到额定转矩的3 5 倍，高线性度，低 转矩波动，高转矩/ 重量比，没有电刷维护问题变磁阻型变磁阻电动机大的连续转矩，大的电动机常数，低价格（不需要 永磁体，单极性功率放大

3、器），没有电刷维护 问题混合式D D 电动机高效率，高连续转矩，没有电刷维护问题特殊型超声波电动机等小型，高转矩/ 重量比电磁型和动电型直接驱动电动机的比较LDABg2动电型电动机的尺寸 与转矩的关系动电型电动机的尺寸 与转矩的关系LDkABgM2电磁型电动机的尺 寸与转矩的关系电磁型电动机的尺 寸与转矩的关系电动机分成以下五类， 分别用符号电动机分成以下五类， 分别用符号E/E、E/P、 E/T、P/T、T/T来表 示。其中，来表 示。其中，E为电枢；为电枢； P为永磁体；为永磁体；T为感应 子齿；为感应 子齿；/为气隙。把电 枢直接面向气隙的为气隙。把电 枢直接面向气隙的E/E、 E/P，

4、E/T型电动机称 为动电型电动机；把非 此种类型的型电动机称 为动电型电动机；把非 此种类型的P/T、T/T 型电动机狭义地称为电 磁型电动机。型电动机狭义地称为电 磁型电动机。直接驱动电动机系统的研究方向分析VDPcu为了能够把为了能够把DD电动机 的电动机常数设计得 较大，尽量增大气隙 直径为有效的措施。 因此，采取外转子结 构，或采用盘式转子 结 构 比 较 合 理电动机 的电动机常数设计得 较大，尽量增大气隙 直径为有效的措施。 因此，采取外转子结 构，或采用盘式转子 结 构 比 较 合 理VPVFcu如果铜耗密度一定，则力 与电磁材料的使用量成正 比。因此，对于轴向气隙 电动机采用轴

5、向多个盘式 转子重叠，对于径向气隙 电动机采用同心的多个杯 形转子重叠的多气隙结构 比较有利。总之，设计时， 应充分利用所给定的电动 机体积，以获得最大的输 出转矩对于动电型电动机，要想 提高电动机常数密度，增 大气隙磁通密度可以说是 唯一的途径，但限于现阶 段电磁材料的性能，提高 的幅度不会太大。而对于 电磁型电动机，由于感应 子的电磁减速作用，本质 上具有低速大转矩的特征， 通过优化设计可以大大提 高电动机常数密度，但这 需要以微小气隙的精密保 持机构、高精度的感应子 齿形、薄而强力的永磁材 料和微小的充磁宽度等作 为保证如果铜耗密度一定，则力 与电磁材料的使用量成正 比。因此，对于轴向气

6、隙 电动机采用轴向多个盘式 转子重叠，对于径向气隙 电动机采用同心的多个杯 形转子重叠的多气隙结构 比较有利。总之，设计时， 应充分利用所给定的电动 机体积，以获得最大的输 出转矩对于动电型电动机，要想 提高电动机常数密度，增 大气隙磁通密度可以说是 唯一的途径，但限于现阶 段电磁材料的性能，提高 的幅度不会太大。而对于 电磁型电动机，由于感应 子的电磁减速作用，本质 上具有低速大转矩的特征， 通过优化设计可以大大提 高电动机常数密度，但这 需要以微小气隙的精密保 持机构、高精度的感应子 齿形、薄而强力的永磁材 料和微小的充磁宽度等作 为保证Megatorque电动机电动机高转矩高分辨率配备智

7、能化驱动器高刚性低温升采用中空结构低成本绿色电动机免维护高转矩高分辨率配备智能化驱动器高刚性低温升采用中空结构低成本绿色电动机免维护Vernier电动机电动机Vernier电动机是由日 本东京电机大学石崎彰 教授提出的一种新型结 构的直接驱动电动机电动机是由日 本东京电机大学石崎彰 教授提出的一种新型结 构的直接驱动电动机HD(High Density)电动机电动机最大转矩最大转矩/体积比约为 传统电机的体积比约为 传统电机的2倍。倍。 HD型磁路既适合于旋 转电动机也适合于直线 电动机。 具有与传统电机磁路同 样的结构自由度。 非励磁状态时的磁拉力 小，电动机的装配容易。 由于型磁路既适合于

8、旋 转电动机也适合于直线 电动机。 具有与传统电机磁路同 样的结构自由度。 非励磁状态时的磁拉力 小，电动机的装配容易。 由于HD型磁路属于感 应子型磁路，因此电枢 磁势小，能够连续输出 大转矩。 由于驱动频率高，所以 不利于高速运行。型磁路属于感 应子型磁路，因此电枢 磁势小，能够连续输出 大转矩。 由于驱动频率高，所以 不利于高速运行。HD电动机 是日本神钢 电机公司制 造的一种新 型磁路结构 的直接驱动 电动机电动机 是日本神钢 电机公司制 造的一种新 型磁路结构 的直接驱动 电动机增强型直接驱动电动机增强型直接驱动电动机在传统的混合式步进电动机中，如果 绕组电流增大，从感应子齿侧面的漏

9、 磁会增加，齿根处的磁密变高而引起 饱和。因此从齿出来的磁通受到限制， 而从槽出来的磁通增加，从而磁场调 制率减小，引起转矩饱和。但是如果 在槽中嵌入永磁体（图在传统的混合式步进电动机中，如果 绕组电流增大，从感应子齿侧面的漏 磁会增加，齿根处的磁密变高而引起 饱和。因此从齿出来的磁通受到限制， 而从槽出来的磁通增加，从而磁场调 制率减小，引起转矩饱和。但是如果 在槽中嵌入永磁体（图1-8），使永 磁体的极性与其对面的齿的极性相同， 就可以抑制从槽底和齿的侧面出来的 漏磁，这样既不增大电动机的体积， 又可以减小铁心的饱和程度，使转矩 有较大的提高，这就是增强型直接驱 动电动机的原理），使永 磁

10、体的极性与其对面的齿的极性相同， 就可以抑制从槽底和齿的侧面出来的 漏磁，这样既不增大电动机的体积， 又可以减小铁心的饱和程度，使转矩 有较大的提高，这就是增强型直接驱 动电动机的原理Magnagap 电动机电动机Magnagap 电动机是日 本安川电机公司提出并 已形成产品的新型结构 直接驱动电动机电动机是日 本安川电机公司提出并 已形成产品的新型结构 直接驱动电动机轴向绕组混合式电动机轴向绕组混合式电动机轴向绕组混合式直接驱动电动机是日本丰田工业 大学今井孝二教授提出的，图轴向绕组混合式直接驱动电动机是日本丰田工业 大学今井孝二教授提出的，图1-11是该电动机 的磁路结构。该电机采用外转子

11、结构，在转子的 内侧开有齿和槽，槽中嵌有永磁体，永磁体的配 置有多种方式，这里采用径向充磁，所有面向定 子的面都为是该电动机 的磁路结构。该电机采用外转子结构，在转子的 内侧开有齿和槽，槽中嵌有永磁体，永磁体的配 置有多种方式，这里采用径向充磁，所有面向定 子的面都为N极。在定子轴向布有绕组，定子沿 轴向分成第极。在定子轴向布有绕组，定子沿 轴向分成第1定子、第定子、第2定子、第定子、第3定子、第定子、第4定 子共定 子共4部分，第部分，第1定子和第定子和第2定子、第定子、第3定子和第定子和第 4定子之间各错定子之间各错1/2齿距，第齿距，第2定子和第定子和第3定子之 间错定子之 间错1/4齿

12、距，转子不错齿齿距，转子不错齿Dynaserv 电动机电动机高精度（高精度（2arc-sec）高分辨率编码器低转矩波动低温升高速性高转矩化小型、轻量化转矩曲线平坦）高分辨率编码器低转矩波动低温升高速性高转矩化小型、轻量化转矩曲线平坦Dynaserv 电动 机是日本横河电 机公司制造的一 种混合式直接驱 动电动机电动 机是日本横河电 机公司制造的一 种混合式直接驱 动电动机直流力矩电动机直流力矩电动机直流力矩电动机虽然在机器人上已基本不被使用，但因其具有良好的转矩控制特性，在控制领域仍占有一席之地直流力矩电动机虽然在机器人上已基本不被使用，但因其具有良好的转矩控制特性，在控制领域仍占有一席之地无

13、刷直流无刷直流DD电动机电动机峰值转矩大，可达到额定转矩的峰值转矩大，可达到额定转矩的2.53倍，因此加减速时能够快速响应。转矩波动可达倍，因此加减速时能够快速响应。转矩波动可达1%以下，因而从低速到高速能够进行高精度控制。能够进行动态制动，因此系统的可靠性和安全性容易确保。转矩控制简单以下，因而从低速到高速能够进行高精度控制。能够进行动态制动，因此系统的可靠性和安全性容易确保。转矩控制简单直接驱动电动机控制策略的研究现状n对电机的性能进行测试，得到电机非线 性特性的一族实验数据，据此由查表法 根据电机转子位置给出适当的电流来消 除转矩波动。大多数商业直接驱动机器 人都采用这种方法。其中New

14、man等人 的研究较具典型性。对于多相电机，在 抵消电机非线性的同时，还要考虑多相 绕组中电流的控制，以保证换相平滑， 防止由于换相电流引起电机的转矩波动直接驱动电动机控制策略的研究现状n对电机的数学模型进行分析计算，得出最佳绕 组电流补偿量。D.Chen针对混合式步进电机， 采用状态观测器修正绕组电流，将电机模型线 性化，并提高了系统的鲁棒性；Bianco在以往 研究的基础上，对变磁阻电机多项式模型参数 进行辨识，研究了电流和速度环的变结构控制 器及内部转矩分配补偿器，其转矩分配补偿器 基于非线性最优化技术实现，降低了转矩波动 并获得最大电机转速。由于转矩分配补偿器由 理论计算得到，需要较为

15、精确的数学模型，因 此计算量较大直接驱动电动机控制策略的研究现状n采用模糊学习、神经网络学习方法对电 机非线性进行学习，以期在控制中予以 补偿。A.M.Stankovic在不降低系统鲁棒 性的前提下，对电机的非线性进行了补 偿，减少了电源的输入功率，该方法可 以不需要精确的电机模型。英国Heriot- Watt大学的D.S.Reay等用模糊方法和 CMAC神经网络在线学习变磁阻电机的非 线性，可以在电机运行中消除转矩波动直接驱动电动机控制策略的研究现状n滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略。这种控制策 略与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统 “结构”随时变化的开关特性。

16、该控制是为控制系统预先在状态 空间中设计一个特殊的超平面，利用不连续的控制规律，不断地 变换系统的结构，即在一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度， 高频率的上下运动，迫使系统的状态沿着这个特定的超平面向平 衡点滑动，最后渐进稳定于平衡点或平衡点的某个允许的邻域内， 即滑动模态运动n滑模变结构控制方法的特点是：它不需要知道系统的数学模型， 而只要了解系统参数及其变化的大致范围，对外部扰动也是如此； 滑模变结构控制具有降阶、解耦的功能；滑模变结构控制的最大 优点是系统一旦进入滑模状态，系统状态的转移就不再受系统原 有参数变化和外部扰动的影响，具有完全的自适应性和鲁棒性直接驱动电动机控制策略的研究现状nH控制器是基于H控制理论设计的控制系统， 不论是鲁棒稳定还是干扰抑制问题，都可以归 结为求反馈控制器使闭环系统稳定且闭环传递 函数的H范数最小或者小于某一给定值。将 H控制规律应用于自适应控制中，并与鲁棒 参数估计器相结合，一方面通过在线辨识减少 参数误差，另一方面又通过H控制律随时调 整控制器参数，抑制未建模动态和外界扰动造 成的影响，从而形成